激光扩束镜

一． 定义

激光扩束镜是一种能将平行输入光束的直径扩大至指定倍率，并平行输出光束的光学系统。这种对平行光束没有净聚焦或净发散的光学系统，人们一般称之为无焦系统，也就是说光学系统的等效焦距为无限大。这种光学系统往往可由一对光学元件组成，其距离需等于各自的焦距和：d=f₁+f₂，光学望远镜就是一种典型的无焦系统，进入光学系统的光来自无穷远处，而成像也是在无穷远处（光线为平行光）。

二． 特点

1.扩大或缩小平行入射的激光光束直径；

2.不同倍数可选择；

3.不同结构可设计。

三． 说明

现有的激光扩束镜多是采用从完善的光学望远镜基础中发展而来的无焦系统设计，光学望远镜主要可分为两大类：折射望远镜和反射望远镜，顾名思义，折射望远镜充分利用透镜来折射或弯曲光线，而反射望远镜则是利用反射镜来反射光线。类似的，激光扩束镜也可分为折射式与反射式。

折射式扩束镜可分为两类：开普勒式与伽利略式。开普勒式扩束镜由正焦距透镜组合而成（图1）

图1. 开普勒式扩束器光路示意图。

如图1所示，开普勒式扩束镜光路结构中，前后两透镜焦点重合，物体的放大倍率M由两透镜的焦距比决定，为：

M=f₂/f₁

f₁，f₂分别为扩束镜输入端和输出端透镜的焦距。开普勒式扩束镜其焦点位于系统内部，且在输出端成倒立的像，有时需要在其后增设正像系统，这些都会使开普勒式扩束镜的光路加长；同时，由于系统内部存在实焦点，便于用户放置分划板观测，也可放置光阑进行滤波，得到更为标准的高斯光束。而需要注意的是，开普勒式扩束镜使准直输入光束集中在物镜和成像透镜之间的一个点上，进而形成一个激光能量聚焦的区域，该集中的点会加热透镜之间的空气，折射光路中的光线，从而可能会造成波前误差。特别在高功率激光应用中，聚焦点处空气的电离也可能是一个问题。有鉴于此，大部分扩束镜都选择使用伽利略式设计。

伽利略式扩束镜由正透镜和负透镜组成（图2），在伽利略式扩束镜系统中，物体的放大倍率M同样由两透镜的焦距比决定，为：

M=-f₂/f₁

图2. 伽利略式扩束镜光路示意图。

f₁，f₂分别为扩束镜输入端和输出端透镜的焦距。由于伽利略式扩束镜系统其中一个透镜为负透镜，系统内部并不存在实焦点，因此两透镜间的距离比开普勒式扩束镜的距离要更短，更利于设计搭建紧凑的光路结构，同时，用户也不必担心过高的激光能量汇聚造成较大的波前误差。

此外，无论是应用开普勒式还是伽利略式激光扩束镜设计，除了系统的放大倍数，还有一个较为重要的参数：输出光束发散角θ_O。θ_O决定了输出光束与完美平行光束的偏差，发散角与输入/输出激光光束直径有如下关系：

从实际扩束结果上来看，扩束镜的放大倍数M也可由光束发散角或光束直径来表示：

可以发现，输出光束发散角θ_O随着输出光束直D_O径的扩大而减少，反之亦然。所以，在选用扩束镜来扩缩小光束时应注意，小光束的实现代价是形成较大的发散角。

不同于以上两种较为典型的折射式扩束镜利用透镜来扩展光束，反射式扩束镜利用曲面反射来实现光束直径的变化（图3）。反射式扩束镜虽不如折射式扩束镜常见，但依然以其无色差的特性在宽带应用中起到至关重要的作用。例如一些多激光系统、可调谐激光器和超快激光器等需要反射式扩束镜的消色差特性。

图3. 反射式扩束镜光路示意图。

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